基于供水管网信息管理和分析系统研究 72页

'天津大学硕士学位论文供水管网信息管理和分析系统研究姓名：于志强申请学位级别：硕士专业：市政工程指导教师：田一梅20070201 中文摘要本文以提高供水企业的科学管理水平为出发点，提出利用GIS技术建立供水管网信息管理和分析系统，基于Geodatabase建立了完善的供水管网空间数据模型，以VB．NET2003和ArcGISEngine9．1为工具进行了系统开发，并利用蒙特卡罗方法和遗传算法混和算法建立了管网微观模型。．首先，通过分析当前构建空间地理数据模型的几种方法和建立供水管网空间数据模型需要解决的难题，选择AreGIS的Geodatabasede作为建模工具，这种模型无论在结构上还是在性能上都具有相当大的优势，并且适合对复杂的网络结构进行建模。进而，以Visio为工具，以A．reGISWater为原型，建立了供水管网空间数据模型，对构建方法和技术要点进行了详细的阐述，并举例说明了如何定义要素的自定义行为，为建立管网信息管理和分析系统奠定了基础。其次，通过分析当前流行的多种GIS开发方式及其特点，同时考虑到Geodatabase数据模型需要搭配AreObjeets才能进行正常存取操作的要求，最终采用ArcGISEngine构建了供水管网信息管理和分析系统。系统包括信息管理和分析两大部分，能够对供水管网进行动态、科学、安全的管理，并可以在SCADA系统的支持下对管网的运行状况进行实时模拟，完全符合自来水公司日常工作的需要。最后，分析了建立供水管网模型需要重点解决的问题，将模型求解的关键定位于确定各管段的粗糙度系数，并根据系统优化理论建立了粗糙度系数的非线性规划求解模型，采用遗传算法进行求解，其中将蒙特卡罗方法应用于遗传算法的交叉和变异算子，并在此基础上采用面向对象的方法用VB．NET编制了计算程序，将管网建模和管网信息管理系统融合在一起，完善了供水管网分析系统。然后将其应用于一个研究区的管网建模中，采用一天24小时运行工况建立模型后，又以两天48小时运行工况对模型进行检验。检验结果显示两个验证方案各监测点模型计算值与实测值的平均相对误差均分别在2％和3％以下，说明通过该方法求解出的粗糙度系数比较准确，所建模型有很强的适应能力，可以应用于供水管网运行工况的实时模拟。关键词：供水管网GISGeodatabase组件化开发微观模型粗糙度系数遗传算法 ABSTRACTInordertoincreasethelevelofscientificmanagementofwater-supplycorporation,buildingwatersupplynetworksinformationmanagementandanalysissystembasedonGISisproposed．AsoundwatersupplynetworkdatamodelbasedonGeodatabaseisestablishedandthenthesystemisconstructedusingArcGISEngine9．1andVB．NET2003．Atlast,themicroscopicmodelofwatersupplynetworkisperformedusinggeneticalgorithmsandMonte—Carlomethods．First，accordingtOanalyzingseveralcurrentmethodstoconstructGISspatialdatamodelandtheproblemsthatestablishingthewatersupplynetworkdatamodelneedstoaddress，GeodatabasededatamodelofArcGISisselected舔themodelingt001．Thiskindofmodelhassubstantialperformanceandissuitableformodelingofcomplexnetworkstructurescompletelywiththewatersupplynetworkmodelingneeds．Then,usingVisioastoolandArcGISWaterasmodel，thewatersupplynetworkspatialdatamodelisconstructed．Theproblemsnecessarytopayattentiontoandthemodelingprocessisdesciptedindetail．Howtodefinethecustombahabviorisalsoexpalainedwithallexample．Thismodelisthefoundationofthewatersupplynetworkinformationmanagementandanalysissystem．Then，throughanalysisofseveralpopularGISdevelopmentmodesandconsiderthattheGeodatabasedatamodelneedsArcObjeetstodotheread／writeoperation，ArcGISEngineisselectedtObuildthewatersupplynetworkinformationmanagementandanalysissystem．Thesystemincludestwosubsystems：informationmanagementsystemandanalysissystem．Itcanmanagethewatersupplynetworkdynamically,scientificlyandsafely．AndinsupportofSCADAsystemthesystemCandoreal-timesimulation．So，it’Scompliancewiththewatercompany"sday-to—dayneeds．Finally,theproblemsneededtobeaddressedthroughconstructingwatersupplynetworkmodelareanalyzed．Thekeyofsolvingmodelisdeterminingthefrictionfactorofeverywaterpipe．AccordingtosystemoptimizationtheorythenonlinearprogrammingmodeloffrictionfactorisconstructedandissolvedbyGeneticalgorithminwhichMonte—CarlomethodsisusedtodesignthecrOSSandmutationoperator．Basedonthetheoryandobject—orientedapproachthecalculationprogramisdesignedwhichcombineswatersupplynetworkinformationmanagementsystemand watersupplynetworkmicroscopicmodelandimprovsthesupplynetworkanalysissystem．Thenit’Sappliedtoastudyofnetworkmodeling．24hoursworkingconditionsinadayareusedtoconstructthemicroscopicmodeland48hoursworkingconditionsarfiusedtotestthemodel．Verificationtestresultsindicatethattheaveragerelativeerrorsforthecalculatedvaluebymodelandtherealmeasuredvalueofeverymonitoringpointarebelowtwopersentandthreepersentinthetwocertificationprograms．It’SshownthatthesolutionofthefrictionfactoriSmoreaccuratelyandthemodelhassgongadaptability．So，thismethodcallbeusedinreal．timesimulationforsupplynetworksoperatingconditions。KEYWORDS：Watersupplynetwork,GIS，Geodatabase，Component-baseddevelopment,Microscopicmodel，Frictionfactor,Geneticalgorithm 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我_同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：。1移统N签字日期：_矽年溯It日／学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：刁移呶导师签名：签字醐：哆年7骨fl曰I曰，榴7>签字日期：≯洲7年J月／／日 天津大学硕士学位论文第一章绪论I．I课题的提出及研究意义I．I．1课题的提出近几年，随着我国经济的快速发展，城市作为经济中心，人口在不断增加，规模在急剧扩张，城市供水行业面临严峻的考验，主要表现为以下几个方面：(1)用水范围扩大，需要对原有管网进行扩建，原有管网资料不全，施工容易出现事故：(2)用水范围扩大，用水量增加，水压需要相应提高，原有老管网一般都有二三十年甚至上百年的时间，干管一般为灰口铸铁管，锈蚀严重，粗糙系数很大，二次污染和渗漏现象严重，成为提高供水水质和水量的瓶颈；(3)随着饮用水水质标准的不断提高和水资源污染的不断加重，水处理的成本越来越高。面对挑战，一方面要求水厂进行技术改造，提高供水水质，另一方面要对遍布全市的管网进行科学的管理，不仅要为管网的改扩建提供基础资料，更重要的是建立管网微观模型，得到管网中压力和水质的分布状况，寻找到管网中的瓶颈，为决策者对管网改造提出建议。而传统的管网管理一般采用纸介质进行，数据陈旧，冗余度大，查询统计困难，更不要说从宏观上把握管网运行状态。传统的供水管理模式己难以满足城市供水管理工作日益繁重的现实要求。在城市供水领域应用推广先进的管理技术，对于迅速提高城市供水管理、保证城市供水工作的水平与经济建设和社会发展相适应，将具有积极的意义n】。GIS(GeographicInformationSystem，地理信息系统)作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学及相关学科等为一体的新兴边缘学科，近30年来迅速兴起。GIS将计算机技术和空间地理分布数据相结合，通过系统建立空间操作与模型分析，为地球科学、环境科学和工程设计、乃至企业管理等方面的规划、管理和决策提供有用的信息乜一】。因此，将GIS应用于城市供水领域，构建供水管网信息管理和分析系统，对于强化城市供水规划、指挥、调度、信息查询、快速维修、维护、准确定位、人员最优化调配等各方面工作将产生巨大的功效，必将极大地提高城市供水部门工作的科学性、准确性和整体运作效率，有利于从根本上解决城市经济建设的快速 天津大学硕士学位论文第一章绪论发展与城市供水管理形式落后的矛盾Ⅲ。本课题正是在这种背景下提出的，致力于将GIS技术应用到城市供水管网的信息管理和分析，构建供水管网信息管理和分析系统。1．1．2课题的研究意义城市给水管线系统错综复杂，管网一般都有历史长(几十年甚至一百年)、数量大(数干公里管道，上千个消火栓，数万只水表，上万个阀门，数千张各种比例的管网图纸)、变化多(随城市建设而变化)、覆盖面广(基本与城区面积一样大)、与地理位置和地理环境联系密切等特点，信息十分繁杂多变。在传统管理模式下，这些信息被锁在档案柜里或者在工作人员手中，有很大部分甚至没有任何资料。几十年来管线和建筑物的新建和改建，使管线的管理更加困难。按照传统谁铺设谁管理的管理方式，如果相关负责人员不在或没有交代清楚，一旦遇到紧急情况，如水管断裂等就非常难以及时处理，有时甚至不得不重新铺设管道。而且，基建施工时，不知道地下管线的准确情况给施工带来了很多麻烦。而且，目前城市建设发展迅速，市政设施变化大、发展迅猛啼】，这种管理方式显然不适应供水事业发展的需要，必须引进新技术，更新传统观念，提高服务水平和能力。GIS正是在这种背景下被引入并应用于供水管网管理中的。GIS是由多种学科交叉发展起来的--I"-J边缘学科，它利用现代计算机技术和数据库技术来输入、存储、处理、显示和输出空间信息及其属性数据的计算机系统。GIS所特有的可视化表达方式和空间分析功能非常符合供水管网信息所具有的区域性强、隐蔽、复杂、动态、数据量大等特点。同时GIS也是把供水企业的各种信息有效聚合的粘合剂，所有的信息通过地理信息相互关联，有机结合，为企业提供更深层次的信息化应用哺，。利用GIS及其相关技术建立供水管网信息管理系统，将积攒多年并且还在不断更新的管网资料输入到GIS数据库中，对其进行科学管理，不仅可以提高自来水公司的日常工作效率，还能够发现以前在纸质图纸上不能发现的很多问题，使得管理者站在一个更高的高度来思考管网的管理问题。同时，有条件的城市还可以在管网和水厂泵站中布置一定的监测点，建立SCADA系统，实时监测管网的运行状态。利用这些动态信息和静态信息建立管网的微观模型，实现供水管网分析系统，得到当前管网的微观运行状态，并进行相关分析，如绘制等水压线、显示管网流向等，能够使管网形象直观的展现出来，一目了然，可以更迅速寻找到管网的设计和运行问题。 天津大学硕士学位论文第一章绪论1．2国内外研究现状1．2．1GIS技术在国内外的研究发展现状1．2．1．1GIS空间数据模型空间数据模型是每一个GIS平台的基础，它的结构方式决定了这个GIS平台的效率、风格和适应范围汀1。简单地说，空间数据模型是通过实体模型的数据化来实现对客观事物及其联系的数据描述。所有的GIS都要使用表述事物的空间分布的规范的模型，地理数据模型描述和解释地球上事物的分布，是GIS的基础。随着信息技术的不断发展，地理信息系统软件已经经历了3代空间数据模型。(1)CAD数据模型计算机辅助设计(CAD)数据模型起源于20世纪60"-"70年代，通过二进制文件存贮点、线、面描述实体，但这些文件缺乏对属性信息的描述，图层和注记符号就是CAD对属性的主要表达方式。空间数据不存贮在数据库中，并且缺乏对属性数据的支持是CAD数据模型给GIS软件开发和GIS数据共享带来的主要困难。(2)Coverage数据模型Coverage数据模型源于ESRI公司于1981年推出的第一个商业GIS软件Arc／Info。Arc／Info实现了第二代地理数据模型Coverage，也被称为地理相关模型(GeorelationalDataModel)，由于当时的计算机硬件和数据库软件的发展不成熟，把空间数据直接存入关系数据库的难度太大，Coverage数据模型用折衷的措施将空间数据与属性数据分离开存贮又有机的管理起来。空间数据存贮在具有索引的二进制文件里，这些文件经过优化处理以便数据显示和存取：属性数据是以数据表存贮，数据表的行数等于存于二进制文件里的图形要素的数目，数据表的每个记录与相应的图形要素之间通过相同的标识相联接。矢量要素之间的拓扑关系也可以保存。Coverage是第二代地理数据模型的典范，因为Coverage数据模型使得高性能的GIS成为可能，其中拓扑关系便于地理分析，输入数据更为精确。Coverage数据模型具有众多的优点，但是它也存在一个很大的不足：该种数据模型的特征聚集在类似点、线、面的集合中，不具有特殊的特征行为。也就是说，一条线，无论是代表一条路还是一条河，它具有的行为是完全一样的。(3)地理数据库数据模型——Geodatab雒eArc／Info8推出的新的面向对象的数据模型Geodatabase是一种将空间对象的属性和行为结合起来的智能化地理数据模型。GIS数据集中的属性可以被赋予自然行为，属性间的任何类型的关系都可以在Geodatabase中定义。Arc／Info8 天津大学硕士学位论文第～章绪论采用一种现代化的、标准化的方式实现对象，每一个对象都定义成一个组件。允许用户在这些基本模型基础上扩展自己的面向对象的数据模型。面向对象的数据模型与用户通常认识事物的观点及分类方法很接近，直观且简单实用。Geodatabase中的数据对象是面向用户的概念。例如t地块与建筑物，变压器与保险丝，而不是面向系统的概念，如：点、线、面．oGeodatabase使得开发人员用不着写几行代码就能实现大多数定制属性的行为，因为大多数行为可以通过管理规则、校验规则和其他一些Arc／lnfo提供的构造函数来实现。写程序代码只为了实现更为复杂的属性行为。Geodatabase具有以下特性：①所有数据(矢量、栅格、地址、测量、CAD等)一起存储在商业DBMS中。这就意味着可以有一个完整的数据管理策略，充分利用业已成熟的关系型数据库的良好的存取性能，极大地简化了支持和维护过程，并减少了费用。GeoDatabase按照支持数据库和特性的不同分为两类：个人GeoDatabase和多用户GeoDatabase。前者支持微软的Access数据库，最大不能超过2G，不支持版本管理：后者支持各类大型商用数据库，如mMDB2，Informix，Oracle和MicrosoftSQLServer，通过AxcSDE进行访问，没有大小和用户限制，支持多用户编辑。②Geodatabase允许多用户通过使用版本管理和长事务处理访问数据库，多个用户可以读写同一个共享的数据库。③支持智能化的要素、规则和关系。空间数据库数据模型支持对象(数据库表中的行)和要素(有几何形状的对象)集合。空间数据库还支持高级功能。例如几何和逻辑网络，真实曲线，复杂多边形和用户定义要素。矢量数据现在可以有2维，3维或4维(x，Y，z，m)。用户能定义拓扑、关系和规则。所有这些都可以用菜单驱动的GUI做到，无需编程。④Geodatabase通过ArcCatalog，ArcMap和ArcToolbox的标准菜单和工具进行访问。编程者还能使用软件包含的ArcObjects，OLEDB和SQLAPIs。这些数据访问能力是使用普遍接受的工业标准APIs构建的。更重要的是它能支持直接读取许多不同类型的文件和数据库。应用程序(ArcMap，ArcCatalog等)和用户无需知道任何幕后的数据转换。1．2．1．2GIS--次开发技术由于通用GIS平台的局限性，要将其应用于特定行业，除了极少数简单的场合，一般都需要对其进行二次开发，以满足各行业的专业需求。经过数十年的发展，随着编程技术和GIS平台的不断进步，GIS二次开发形成了多种开发方式，主要包括以下三种嘲： 天津大学硕士学位论文第一章绪论(1)独立开发指不依赖于任何GIS工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如VisualC++、Delphi等，在一定的操作系统平台上编程实现。这种方式的好处在于无须依赖任何商业GIS7-具软件，减少了开发成本，同时拥有自主知识产权，但对于大多数开发者来说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化GIS工具软件相比，而且在购买GIS工具软件上省下的钱可能还抵不上开发者在开发过程中绞尽脑汁所花的代价。(2)宿主型二次开发指基于GIS平台软件上进行应用系统开发。大多数GIS平台软件都提供了可供用户进行二次开发的脚本语言，如ESRI的ArcView提供了Avenue语言，Maplnfo公司的MaplnfoProfessional提供了MapBasic语言等等。用户可以利用这些脚本语言，以原GIS软件为开发平台，开发出自己的针对不同应用对象的应用程序。这种方式省时省心，但进行二次开发的脚本语言，作为编程语言，功能极弱，用它们来开发应用程序仍然不尽如人意，并且所开发的系统不能脱离GIS平台软件，是解释执行的，效率不高。(3)基于GIS组件的二次开发组件化程序设计技术是一种现代的软件开发思想阳3，它不同于传统的结构化程序设计，也不同于现在被广泛应用的面对象程序设计技术，而是位于这二者之上，它更注重应用系统的全局，要求从应用系统全方位来进行考察。在具体到某个组件或模块的设计时，我们仍然需要结构化程序设计和面向对象程序设计技术作为基础。组件式软件开发的思想是将复杂的软件开发分解成若干个功能组件，这些组件可由不同厂家用任何语言开发，开发的环境也无特别的限制。若干组件可以根据应用的要求，可靠而有效地组合在一起完成复杂的任务。这种软件开发方法就如同现代的建筑一样，首先将实现不同功能的材料(如水泥、钢材、木材、管道等)交由不同的厂家生产，然后建筑师根据用户需要，有选择地用这些材料搭建功能复杂的建筑物。组件技术在软件业的推广和应用作为外因，“需求牵引"作为GIS发展的内因，导致了组件技术与GIS结合的产物——组件式GIS的诞生。组件式GIS的基本思想是把GIS的功能封装到一系列组件对象中，每个组件完成不同的功能，各个GIS组件之间，以及GIS组件与其它非GIS组件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用，并且从根本上解决了GIS软件与其它系统的集成问题。组件式GIS技术将给整个GIS技术体系和应用模式带来巨大影响。GIS软件像其它软件一样，已经 天津大学硕士学位论文第一章绪论或正在发生着革命性的变化，即由过去厂家提供全部系统或者具有二次开发功能的软件，过渡到提供组件由用户自己再开发的方向上来。组件式GIS开发包含GIS组件库的开发和基于GIS组件的软件开发。大多数GIS软件产商都提供商业化的GIS组件，如ESRI公司的Arcobjects、MapInfo公司的MapX等，这些组件都具备GIS的基本功能，开发人员可以基于通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如Delphi、VisualC++、VisualBasic、PowerBuilder等为开发平台，进行二次开发。利用GIS工具软件生产厂家提供的建立在0CX技术基础上的GIS功能控件，如ESRI的Arcobjects、MapInfo公司的MapX等，在Delphi等编程工具编制的应用程序中，直接将GIS功能嵌入其中，实现地理信息系统的各种功能1．2．1．3GIS在供水行业中的应用国外供水行业采用计算机信息管理已比较普遍。一些发达国家在GIS的发展上已取得很大进展，许多城市已建立地下管网GIS，且已进入专业化应用与商品化生产阶段。GIS在我国起步较晚，但是发展迅猛，在引进国外先进GIS技术的同时，国内陆续出现了多家专业的GIS平台提供商，各个行业纷纷将GIS技术引入到本行业的管理工作中，提高了本行业的管理水平。1995年，中山市供水总公司较早的引入美国AMPAC公司的“8M供水综合管理系统"，给管网管理带来了质的飞跃，从以往完全人工方式的管理过度到人工与计算机管理相结合的模式，有效提高了管网管理水平。其它水司也纷纷根据自身情况建立起基于GIS的供水管理信息系统n8】。当前，GIS在国内供水系统中的应用主要集中在城市输配水管网日常管理中，如供水管网图形数据和属性数据计算机录入、修改；对管线及各种设施进行属性查询、空间定位以及定性、定量的统计、分析；对各类图形(包括管线的横断面图和纵断面图)及统计分析报表显示和输出。除此之外，有些系统还能够对爆管、漏水事故的抢修、维修提供关闸方案及相关信息，从而基本实现了供水管网的信息化管理。表卜l列出了国内一些已经建设了供水管网管理系统的水司及其使用情况，从表中可以看到，现有的系统一般采用比较通用的GIS平台，由第三方或GIS公司进行开发，采用的GIS平台国外的主要有ArcGIS、MapInfo、Intergraph、SICAD／OPEN等，国内的主要的是MapGIS、SuperMap和GeoStar等。 天津大学硕士学位论文第一章绪论表1．1国内具备供水管网管理信息系统的部分城市系统名称GIS开发平台使用情况成都自来水管网Internet查询系统SuperMap正常使用中山市供水管网地理信息系统SuperMap正常使用南宁市自来水管网地理信息系统SuperMap正常使用沈阳市供水管网地理信息系统ArcGIS正常使用荆门市供水管网管理信息系统ArcGIS正常使用北京市区配水管网地理信息管理系统ArcGIS正常使用大连供水管网地理信息系统ArcGIS正常使用天津市给排水管理系统Citystar不经常使用天津港供水所8M供水综合管理系统已换成ArcGIS平台中山市供水总公司19968M供水综合管理系统已换成SuperMap平台太原市供水管网地理信息系统SICAD／0PEN正常使用广州市供水管网地理信息系统SICAD／0PEN正常使用天津市塘沽区供水管网管理系统MapGIS正常使用济南市供水管网管理系统Maplnfo正常使用由上表可见，我国供水企业将GIS应用到供水管网信息管理的过程并不是一帆风顺的，受到当时GIS平台发展和认识上的限制，一些水司在初步建立了系统后，由于种种原因不能满足实际工作的需要和数据快速更新的要求，改而采取其它GIS平台另行建立系统，造成了一定程度上的重复投入，但这种投入在GIS应用的初期也在所难免。如中山市供水总公司的建立的供水管网地理信息系统，首先采用的是国外的8M供水综合管理系统，但由于该系统在售后服务上的缺陷，导致其维护成本太高，功能上也没有新的改进，不能适应日益增多的管理需求，因此又在国产的SuperMap平台上开发了一套类似系统，无论在功能上还是在维护上都大大优于前述系统。因此各水司在将GIS应用到供水管网管理的时候要对市场进行广泛考察，并借鉴其他水司的经验，避免重复建设。1．2．2供水管网系统建模国内外研究发展现状供水管网系统建模在国外发展比较早，已经有20余年的发展和应用历史，目前已经形成了多种版本风格和功能的专业建模软件，在各供水企业得到了广泛的应用，并将其和SCADA系统、GIS系统集成在一起，取得了不错的效果n们。法国的SAGEP公司负责巴黎市400万人口的饮用水的供应，日产水量64万m3，其中50％由三个地表水厂提供，另外50％由63口地下水源井提供，城 天津大学硕士学位论文第～章绪论市管网约1800Km。由于是环形管网，某一位置的水在不同的时间里可能来自不同的水源，水的味道有所变化，受到了客户的抱怨，而且，不同水源地的水温有很大的差别(大于10℃)，容易造成水管爆裂。为了解决这些问题，需要追踪管网的水源情况，以调度管网运行，尽量维持某一地区的水源不变。为此SAGEP开发了·个管网数学模型，并将其与SCADA、GIS系统集成，实时模拟管网的运行状态，现已投入运行，取得实效。当前欧美比较流行的建模软件主要有EPANET、GINAS、n：Omap、InfoworksWS、Stoner／SynerGEE和WatcrCAD等。在国内，同济大学研究开发的“同济宏扬管网建模软件刀和哈尔滨工业大学研究开发的WNW4。0等软件也逐步得到了应用。国内的供水企业进行管网建模的比较少见，只限于一些省会级的大城市，如天津、上海和哈尔滨等。因为管网建模需要管网的详细资料，一般建立在已有的GIS系统之上，并要建立实时监测SCADA系统，管网中泵和阀门的自动化控制水平要求较高，投入很大。同时，系统建好后，由于管网是一个动态系统，后期的维护费用也会很大。这样就很大程度上限制了各城市供水企业建立管网模型的工作。但随着我国经济的发展，对供水质量要求的提高，建立完善的管网模型已成为供水行业发展的趋势。国家在《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》中已经明确提出了不同等级城市供水企业必须实现的目标和奋斗目标，建立给水动态数学模型系统已经提上日程。13主要研究目标、内容、方法概述1．3．1存在的问题总观当前国内外开发的各种供水管网管理系统，虽然取得了一定的成果，具有一定的使用价值，但还存在以下几个方面的问题：(1)系统所赖于存在的供水管网空间数据模型还不够完善。供水管网是一个典型的网络系统，只有把整个管网当成一个网络来进行整体分析，才能真正模拟其运行状态，而当前的很多供水管网管理系统都是基于图层的或是基于点线面文件的，没有从网络的高度来进行管理，许多基于网络的分析功能还不能得到很好的实现：(2)目前，供水管网信息系统在国内一般由软件公司进行开发，缺乏专业工作经验，对专业需求不甚了解，以至于现有系统的应用主要限制于输配水系统档案资料的日常管理，缺少与专业模型的结合。目前管网优化调度、优化设计、 天津大学硕士学位论文第一章绪论监测点选址等，都已经建立了很多模型进行求解nlq嗣，而将其融合至OGIS系统中，充分利用其强大的空间数据存储能力的应用却很少见。这样的供水管网信息系统只是作为一个资产管理软件而存在，并不能用于分析和辅助决策；(3)管网微观模型的建立由于涉及到管段粗糙度系数及节点流量等难以确定的因素，因而有较大的难度。目前，国内已建的模型一般只考虑到普通工况和消防工况等有限的几个工况n卜211，求解简单，但所建模型不一定能够适应管网各类工况的变化，若要求模型实现对供水管网的实时模拟，其精确度就会大打折扣。1．3．2主要研究目标本课题主要研究目标如下：(1)建立基于网络的供水管网空间数据模型；(2)基于ArcGISEngine进行二次开发，建立管网信息管理系统，实现图形操作、图形编辑、属性操作、制图工具等GIS基本功能；。(3)建立适于供水管网的网络分析模型；(4)将管网微观模型应用到管网信息管理和分析系统中，为实现优化调度奠定基础。1．3．3研究方法概述为达到上述目标，本课题拟采取的主要研究方法如下：(1)利用建模工具Visio和ArcCatalog提供的Case工具建立基于Geodatabase的供水管网空间数据模型，完善属性结构，建立子类、属性域与各要素之间的联系；(2)基于ArcGISEngine9．1，以VB．NET为开发工具进行二次开发，实现基本GIS功能，建立供水管网信息管理系统；(3)根据管网不同工况的实时监测数据，确定各管段粗糙度系数，并研究适当的求解方法，据此建立管网微观模型，采用实测数据对模型进行验证，最终构建供水管网分析系统。 天津大学硕士学位论文第二章构建供水管网空间数据模型数据是GIS系统的基础，GIS的所有的功能都是围绕数据展开的，建立GIS系统的最初和最终目的都是为了更好的管理地理数据，数据的完整性和现势性决定了一个GIS系统能否成功的关键所在，因此建立供水管网地理信息系统的首要工作就是搜集管网资料，构建完善的供水管网空间数据模型，为日常管理和高级管理功能奠定基础。2．1供水管网空间数据模型的选择与建立2．1．1供水管网空间数据模型的选择供水管网是一个庞大的、封闭的网络系统，由阀门、水表、管线等设施按照一定的方式连接而成，信息量大，拓扑关系复杂，难于进行模拟。选择合适的空间数据模型模拟供水管网，必须解决以下问题：(1)在宏观上管网中的各类设施组成了一个有向网络，水从水厂通过管线输送到各个用户。因此，数据模型要能够对网络数据进行描述，存储其拓扑结构，并提供网络分析工具。(2)在微观上，单独考虑管网中各类设施时，它们又都具有自己的特性。如对于管线来说，管径只可能是有限的几个值，如100ram、150ram，而不是随便输入的某个值，如122mm、999mm；管材不同接口方式也不尽相同：铸铁管一般采用承插接口，而PVC管一般采用粘接接口；管材和管径也有一定的联系：小管径的管线一般采用塑料管，而大管径的管线一般采用铸铁管。这就是说，设施的属性之间存在着一定的制约关系，数据模型要有描述这种制约关系的能力，这样才能保证我们在添加一个设施时，不会出现属性矛盾的现象。(3)此外，供水管网中的各类设施除了既有几何拓扑关系之外，属性之间也存在一定的联系。如管网中的阀门和管线，阀门固定在管线上，因此阀门和管线的接口方式属性应该是一样的，不一样的话肯定是不对的。数据模型要能够存储事物之间的关系，并检测出此类的错误。前文已述，GIS空间数据模型经过多年的发展，已经由最初的CAD模型发展到现在的Geodatabase数据模型，该模型采用面向对象的设计思路，将地理数据存储在商用数据库中，具有其它空间数据模型不可比拟的优势。同时， 天津大学硕士学位论文第二章构建供水管网空间数据模型Geodatabase数据模型为解决存储供水管网数据时遇到的问题提供了解决方案：提供几何网络(GeometricNetwork)模拟各类复杂的网络结构；提供属性域机制，可以定义属性有效性原则；提供了关系类，能够描述不同设施之间的联系；提供了自定义要素行为工具，可以任意扩展要素的特性。同时，在国外Geodatabase已经被应用于各类管网的管理，初步形成了一个比较完善的供水和排水管网数据模型——ArcGISWater，对本文供水管网的建模工作具有借鉴意义。因此，本文选择Geodatabase来建立供水管网数据模型。2．1．2Geodatabase数据模型的建立2．1．2．1建立Geodatabase数据模型的方法选择利用ArcGIS提供的工具，建立Geodatabase可以采取以下三种方法嘲：(1)用ArcCatalog创建方案当创建数据库时可能没有任何数据或只有少量数据，可以用ArcCatalog中的工具创建要素数据集、几何网络和数据库内部的其它条目的方案；(2)导入已经存在的数据如果数据以Coverage、Shapefile、INFO表和dBASE表的格式存在，就要进行数据的转换，把其他格式的数据输入Geodatabase中；(3)用CASE工具创建在利用IAtL(UnifiedModelingLanguage，统一建模语言)设计的模型基础上，CASET具帮助用户创建COM类，用来执行定制要素的行为，并创建保存定制要素属性的数据库方案。三种方法中，第三种方法最为复杂，要求技术人员不仅要熟悉Geodatabase的结构，还要对UML有一定的了解，同时具有相当的编程能力，为要素自定义行为编制代码。但同时这种方法灵活度最大，可以通过简单的UML图指定数据库的方方面面，最后成果为UML图，便于日后修改和共享使用，非常适用于复杂地理系统的建模。而且，由于供水管网是一个复杂的网络系统，限制颇多，需要为要素添加自定义行为，而利用ArcCatalog为工具直接建立模型不能满足使用要求。因此，本文选用CASE工具建立Geodatabase。2．1．2．2建立Geodatabase数据模型利用CASE工具建立Geodatabase数据模型的核心内容是利用UML对模型进行设计。UML是一个通用的可视化建模语言汹3，用于对软件进行描述、可视化处理、构造和建立软件系统制品的文档。它记录了对必须构造的系统的决定和理解，可用于对系统的理解、设计、浏览、配置、维护和信息控制。UML适用于 天津大学硕士学位论文第二章构建供水管网空间数据模型各种软件开发方法、软件生命周期的各个阶段、各种应用领域以及各种开发工具，U札是一种总结了以往建模技术的经验并吸收当今优秀成果的标准建模方法。UML包括概念的语义、表示法和说明，提供了静态、动态、系统环境及组织结构的模型。它可被交互的可视化建模工具所支持，这些工具提供了代码生成器和报表生成器。U札标准并没有定义一种标准的开发过程，但它适用于迭代式的开发过程。它是为支持大部分现存的面向对象开发过程而设计的。IJML描述了一个系统的静态结构和动态行为。U儿将系统描述为一些离散的相互作用的对象并最终为外部用户提供一定的功能的模型结构。静态结构定义了系统中的重要对象的属性和操作以及这些对象之间的相互关系。动态行为定义了对象的时间特性和对象为完成目标而相互进行通信的机制。从不同但相互联系的角度对系统建立的模型可用于不同的目的。掌握了UML的相关概念，就可以利用其中静态结构的相关知识来构建Geodatabase数据模型，UML这种形象的描述语言可以对Geodatabase中的各个组成部分进行详细的描述。ArcGIS的CASE工具有两个主要行为组成陋1：生成代码和生成图表。前者用来建立行为，后者用来在Geodatabase中创建方案。使用UML建模CASE工具建立Geodatabase包括用UML定制所有的Geodatabase计划、产生计划和使用数据实现计划如图2-1。完成这个过程的步骤如下。(1)用UML设计对象模型；(2)输出模型到微软的数据库或XML元数据交换文件中；(3)生成代码，并执行行为；(4)使用ArcCatalog中的模型向导为UML的定制对象创建Geodatabase方案。 天津大学硕士学位论文第二章构建供水管网空间数据模型图2-1利用CASE工具建立Geodatabase流程图2．2建立供水管网数据模型2．2．1基本思路利用MSⅥsio建立GcodatabaseUML模型不需要从头做起，ArcGIS已经准备了UML模版，可以为我所用。这些模版安装在casetool＼UmlModels目录里，ArcGIS9．1根据诋io的不同版本，提供了三个模版，分别面向Ⅵsio2000、Visio2002和Vbio2003，本文采用Visio2003模版作为建模工作的起点嘲1。UML模版里面包括五个包(Package)，如图2-2所示。通过继承ESRI类中的对象就可以创建供水管网中的各种设施类，通过实现ESRI接口中相应接口就可以实现对象的自定义行为：(1)逻辑视图：处于根级位置，包括其他三个包，相当于一个总的目录；(2)ESRI类：存放地理数据存取组件(GeodataAccessComponents)；(3)ESPd接口：存放ESRI类实现的接口，用于创建自定义行为；(4)ESKI网络：用于创建几何网络；(5)工作空间：用于存放自定义设计。 天津大学硕士学位论文第二章构建供水管阿空间数据模型Ⅱ女薯*B6X矗■‰h证Sy～st。～～一。一：jmreIafoudm々dd一=lLogicdv1¨+翅!s豇nasses+-]z疆IIⅡterftces+一Work日ace；Jht。m“ionT卯es’-Jc#DtttT"es+二]c++Dtt4T"。=+L]EsⅡT即。j+二]IDLDa‘eT”e!+!]ⅦD‘taT⋯图2-2ESPJVisio模板结构图在Oeodatabase的设计中面向对象设计的思想贯穿始终。面向对象(Object—Oriented，缩写为00)是最近流行的一种程序设计方法，基本思想是使用对象、类、继承、封装、消息等基本概念来进行程序设计。它是从现实世界中客观存在的事物(即对象)出发来构造软件系统，并在系统构造中尽可能运用人类的自然思维方式，强调直接以问题域(现实世界)中的事物为中心来思考问题，认识阃题，并根据这些事物的本质特点，把它们抽象地表示为系统中的对象，作为系统的基本构成单位(而不是用一些与现实世界中的事物相关比较远，并且没有对应关系的其它概念来构造系统)。这可以使系统直接地映射问题域，保持问题域中事物及其相互关系的本来面貌，使程序设计者可以更加注重问题的本质，更加精确的描述要解决的问韪，而不是以算法为中心。Geodatabase采用面向对象的设计思路，客观世界的各种事物Geodatabase中都以一个对象的形式存在，这个对象描述了该对象具有的性质(属性)和能够进行的活动(方法)。比如对于供水管网中的管线来说，它可能对应一个叫做管线的类，这个类不仅定义丁管线的属性：管径、管长、警材、埋深等，还定义了管线所能进行的活动：管线输送水，对水的流动造成影响，使水压随水的流动而降低。Oeodatabase通过这种面向对象的方法就能够对客观事物进行精确的描述，保证了模型的准确性，地理数据不再是简单的几何图元了，已经被赋予了客观灵魂。数据模型的最终目的是将客观事物以某种数据的方式进行表达和存储，Geodatabase在经过了上述的面向对象的建模过程之后，将各类对象的属性和方法以数据表的形式固化在数据库中，数据表中的一行就代表一个客观事物，每个数据表代表某个具有相同行为的事物的集台，如同门数据表代表了供水管网中的所有阀门，其中的一行代表其中的某个阀门，他们的位置和属性值是不同的，但是属性结构都是相同的。同时，对象间的关系、对象属性的有效性规则也以特殊 天津大学硕士学位论文第二章构建供水管阿空间数据模型的数据表存在，这种数据表和表述对象的数据表通过特有的方式连系起来(通过krcObjects可以访问这种联系，但是通过直接的数据库操作是无法得到的)。这样，各种数据表组合起来就能够将客观事物及其联系存储到数据库中了。由上所述，不同对象对应不同的类，ESRI通过模版提供了用于在Geodambase中描述客观地理对象的所有基类，如图2-3所示，主要包括四种类型：(1)数据行基类：Row，所有娄的基类，表示数据表中的一行：(2)对象基类：Object，继承于Row，非空间对象都继承该类；(3)简单要素基类：Feature，继承于Object，空间对象都继承该类：(4)网络要素类：包括NetworkFeature、JunetionFeature、EdgeFeature、SimpleJunctionFeature、ComplerdtmctionFeature、SimpleEdgeFeatum、ComplexEdgeFeamre，用于描述网络结构。这些类的继承关系见图2_4。通过继承这些类就可以在UML中模拟供水管网中不同设施。’桓量壹疆管黜自×也№I￡0ⅧLsystem^一一hcInfo№1Model一=_L。日cdView《』EsⅡcli一=铀HⅪcla⋯sD1㈣+,-2EsⅡNetwork目CIAsⅡn⋯⋯目c。mplendgeFe～e目ComplexZdg*F叫口e目Cornplex，mm⋯aF⋯目c。⋯plexJⅡctloⅡe¨Ⅱ8目EdgeF刚Ⅱe目EdgeF州=e十目FⅢue+目FⅢ口e昌k～ecl⋯zn⋯⋯+目Jum。Ⅱe～e+量J∞㈨。Ⅱe～e+目Net⋯”e“ve+鲁‰tworⅫe～e+目o。JecL+目Object日o”8“c1一zzt⋯⋯目R。w目SimpleEdgeFeat一目SimgleEdgeFⅢⅡe目sl⋯P1eJ⋯⋯nF～e目Sl“pl￡junctionFeat一7图20ESRIVisio模板类图 天津大学硕士学位论文第二章构建供水管网空间数据模型图2-4ESRIVisio模板类继承关系图建立了对象的模型后，还需要对这些对象的属性和对象间的关系进行描述，并对自定义行为进行编程。因此，Geodatabase提供了一个框架，在这个框架里包括下述内容，利用UML可以定制这些框架，达到建模的目标。(1)要素数据集(FeatureDataset)(2)要素类(FeatureClass)(3)关系类(RelationshipClass)(4)属性域(Domain)‘(5)子类(Subtype)(6)关系规则(RelationshipRule)(7)几何网络(GeometricNetwork)(8)连接规则(ConnectivityRule)2．2．2供水管网空间数据模型的建立2．2．2．1要素数据集要素数据集类似于目录的概念，Geodatabase将具有相同空间参考的要素组织到一个要素数据集中，一来数据库的结构比较清晰，二来保证了相关联的空间一16． 天津大学硕士学位论文第二章构建供水管网空间数据模型参考相同。很多很重要的功能只能在建立了要素数据集后才能够实现，比如建立几何网络、拓扑和通过线创建面等功能，在建立供水管网模型过程中都会遇到。因此有必要建立几个这样的要素数据集，将要素组织在_起。要素数据集在UML中用“包’’来表示，和一般的包不同的是需要将其构造型设置为FeatureDataset。本文建立的供水管网模型中建立了两个要素数据集：管网图和地形图：管网图存储管网中的所有要素，并在其中建立几何网络；地形图存储所有的背景要素，包括地块、建筑、道路、河流等。2．2．2．2要素类在Geodatabase中，各类地理要素用要素类来进行描述，它通过特殊的Shape字段以二迸制数据的形式存储地理要素的图形信息，通过其他字段存储属性信息。管网中的各类设施，包括阀门、水表、管线等，都要继承要素类来完成各自特性的建设。如前所述，要素类其实就是一个类，因此在UML中要素类用“类”表示，类的属性就是要素类的属性。此外ESRI中的要素类不同于一般的类，需要指定其父类为模版中的某一种，这样CASE工具才能正常工作。类之间的继承关系用“泛化’’表示。本文根据实际要求，建立了管线、阀门、水表、消火栓、水源、监测点、节点、维修记录等要素类，其UML图分别见图2．5、2-6、2-7。ESRIClasses：：SlmpleEdgeFeature△I管线-编号：esdFieldTypeString一管径：管径属性域一管长：esriFieldTypeDoubte-管材：管材属性域-埋深：esriFieldTypeDouble一敷设日期：esriFieldTypeDate一接口类型：esriFieldTypeString-生产厂家：esriFieldTypeStdng-位置：esriFieldTypeString-粗糙度系数：esriField"l"ypeDouble<>-子类：esriFieldTypeInteger图2-5管线要素类UML图 天津大学硕士学位论文第二章构建供水管网空间数据模型2．2．2．3关系类图2石消火栓、水表、阀门要素类UML图ESRIClasses：：Object--●●_____--__-________-●___●___________-_●__一OBJECTID：esriFieldTypeOIDWorkspace：：维修记录设施编号：esdFieldTypeString设施名称：esdFieldTypeStdng设施口径：esdFieldTypeInteger报修时间：esdFieldTypeDate报修地点：esriFieldTypeString漏点类别：esdFieldTypeString报修方式：esdFieldTypeStdng报修单位：esdFieldTypeS研ng报修人：esriFieldTypeString止水时间：esriFieldTypeDate耗水量：esriFieldTypeDouble图2．7维修记录UML图在现实世界中，各种事物并不是独立存在的，而是和周围的事物存在着千丝万缕的联系，Geodatabase利用关系类来描述这种对象之间的联系。关系类具有如下特性：(1)关系可以存在于空间对象之间、非空间对象之间或者空间与非空间对象之间：(2)关系类的存储类似于要素类，以表的形式存储，主要存储两个对象的关联字段和其他信息；(3)关系可以是一对一、一对多和多对多的，关系类通过相关度(cardinality)来描述这种特性： 天津大学硕士学位论文第二章．构建供水管网空间数据模型(4)关系类分为简单关系类和复杂关系类两种，简单关系中相关联的事物独立存在，一个被删除，另一个仍然存在；复杂关系中一个对象的生命周期控制与它关联的另一个对象的生命周期，一个被删除，和它相关联的对象同时被删除。因此，通过关系类可以对现实世界中的各种关系进行清楚的描述。眦中，以二元关联来表述关系类。以管线和管线维修记录之间的关系为例，每条管线可以有多条维修记录，而一条记录只能对应一条管线，这是一个典型的一对多关系。将二元关联拖到UIVlL图上，一头连接管线，一头连接管线维修记录，然后设置属性即可。2．2．2．4属性域Geodatabase申属性域指定字段的有效性规则。以管线为例，其管径只可能是规格管径，不可能是任意值，只有给管径赋予正确的值该字段才有效，否则无效，认为非法，不予接受。这样就可以建立一个针对管径的属性域，里面存储所有的合法管径值，并将管径属性和它关联起来，这样可以实现属性字段的自检验，防止错误输入的出现。因此，属性域能够使要素类更加精准的模拟现实世界。属性域分为两种：范围域和编码值域。范围域表示一个有效范围，满足条件的值是无限的，假如限定管长为0"--100m，即可建立范围域进行限定；编码值域表示一个有效值的集合，满足条件的值是可列的，对于管线的管径，可通过编码值域罗列出来加以限定，其他的属性，如接口类型、地面类型等都可以采用这种方法。UML提供了建立属性域的两个模版(见图2．8)：TemplateCodedValueDomain(编码值域模版)、TemplateRangeDomain(范围域模版)，复制这两个模版即可建立相应类型的属性域。以管径为例，如前所述，需要建立编码值域，右键复制TemplateCodedValueDomain，双击修改其属性，FieldType设为整型，然后添加所有有效的管径值即可。本文根据实际需要设计了常用的属性域，主要包括管径、管材、接口类型、覆土类型、阀门型号、阀门状态等，其中管径属性域见图2．9。 无津大学硕士学位论文第二章拇建供永管丽空间数据模型2．22．5子类梗墨赉遥首霆墨魂^rcInf。WL8捧tem一_j|打cInfo眦Hodd一3lLo“cdVitw+JwⅡn—s+JEsⅡImftces一‘==1worh”‰worb，4ce+_]首网+目te⋯pht‘。dedrdⅡo⋯+目Ttmplat曲㈣eⅡ1dttwQr+茸1em血nd“gdo⋯，jI‘¨tnm⋯i怖PE!t"图2-8ESRIVisio属性域模板￡‘CodedValueDomsiE)，*m目##：*＆目t#I+FieldTypeesr㈣自j盯y口en”9e⋯snFjeI盯"e⋯qe‘}-Me∞epo“qesMMergePo[EcyType=esdMPTDefauJtValue1spl伊“1qe3幡目lpⅢClassExtension)，并指定它是FeatureClassExtension的子类(见图2．10)，建立Geodatabase框架时向导自动根据要素类的名称在UML中搜索和它对应的ClassExtension，如果存在就可以指定它的行为。需要注意的是这里只是指定管线可以具有自定义行为，并不具体指定这个行为是什么样的，这些可以通过编程加以实现，具体见2．2．2．9。ESRlClasses：：FeatureClassExtension△1I管线classExtens|onlIlIl图2—10管线ClassExtension构造图2．2．2．8输出模型到Ⅺ沮XMI文件是UML和Geodatabase的桥梁，ESRI提供了Visio加载项：ESRIXMIExport，利用该加载项可以将建好的UML导出为XMI文件，模型中所有信息都以标记语言的方式保存在XMI文件中，通过XMI文件就可以创建Geodatabase框架和生成自定义代码了。同时ESRI为了保证UML模型的正确性，在Visio中以宏的形式提供了语法检查工具SemanticsChecker，可以对上面导出的XMI文件进行语法检查，如果有错误会给出详细的错误报告，为用户提供建模指导。 天津大学硕士学位论文第二章构建供水管网空间数据模型2．2．2．9编程限定自定义行为UML中只是建立了自定义行为的框架，具体的行为规则还需要编程加以实现，实现方法有以下两种：(1)利用CodeGenerationWizard：是ESRI提供的一个插件，可以添加到Visualc++6．0中，根据xⅦ文件生成c什工程。在这个工程中对自定义行为进行编程．最后编译为COM类，在系统中注册，指定给相应的要素类。由于这种方式利用纯c什编写COM类，虽然运行效率较高，但同时要求开发者具有较高的编程水平，且不能充分利用流行编程工具的简单易用的优点，出错几率较高，不适于非计算机专业的人员使用。更为重要的是不支持中文名称，如果UML中有中文名称，向导会出错(见图2-11)，这样UML中的所有拥有自定义行为的要素类的名称和属性必须都是英文的，这对以后Geodatabase的地图显示造成极大的不便。Seltctth￡●·时esforCo“G⋯u01oco⋯p1《JⅡm04№e^一口slnpleJⅡ“l“de^t口e口嚼门一．⋯一一一●，_一粤卜龇d：蓄涩秽～t囱管鳢口u4㈣·n。h”uu“(№L垦兰_c—dl 天津大学硕士学位论文第二章构建供水管网空间数据模型仍然以管线为例，需要实现下述四个接口：IClassExtension、IOblectClassExtension、口eamreClassExlension、IObjeetClassValidafion。COM类命名为“管线ClassExtension”，这里COM类的名字不必和2．227中的名字～致。实现的校核功能是判断管线的长度和管材是否相符，如果不符则给出警告，主要代码见附录1。将COM类代码进行编译，在系统中自动进行注册，当生成Geodatabase框架时就可以为定义了ClassExtension的要素类选择相应的自定义行为了。2．2．2．10在ArcCamlog中生成框架ArcCatalog提供了利用XMI文件生成Oeoda诅base框架的向导：CaseSchemaCreation，向导对XMI文件进行分析，转换成GeodambaSe框架，这里可以设置要素类和要素数据集的属性，主要是设置要素数据集的空间参考和具有自定义行为的要素类的行为(COM类)，见图2—12。图2-12ESRI框架向导指定自定义行为圉 天津大学硕士学位论文第三章构建供水管网信息管理系统3．1系统开发工具的选择3．1．1GIS开发方式的分析和比较地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型：一是应用型地理信息系统，以某一专业、领域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统；二是工具型地理信息系统，也就是GIS工具软件包，如ARC／INF0等，具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等GIS基本功能。随着地理信息系统应用领域的扩展，应用型GIS的开发工作日显重要。如何针对不同的应用目标，高效地开发出既合乎需要又具有方便美观丰富的界面形式的地理信息系统，是GIS开发者非常关心的问题m】。由前所述，应用型GIS开发包括三种实现方式：独立开发、宿主型二次开发和基于GIS组件的二次开发。其中独立开发不依赖于任何GIS工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，因此难度很大；宿主型二次开发利用GIS平台提供的脚本语言进行，能够实现的功能有限，并且所开发的系统不能脱离GIS平台软件，是解释执行的，，效率不高。因此结合GIS工具软件与当今可视化开发语言的基于GIS组件的二次开发就成为GIS应用开发的主流。它的优点是既可以充分利用GIS工具软件对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其它可视化开发语言具有的高效、方便等编程优点，集二者之所长，不仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，而且可靠性好、易于移植、便于维护。由于上述优点，基于GIS组件的二次开发正成为应用GIS开发的主流方向。这种方法唯一的缺点是前期投入比较大，需要同时购买GIS工具软件和可视化编程软件，但“工欲善其事，必先利其器”，这种投资是值得的。目前许多软件公司都开发了很多ActiveX控件，合理选择和运用现成的控件，减少了开发者的编程工作量，使开发者避开某些应用的具体编程，直接调用控件，实现这些具体应用，不仅可以缩短程序开发周期，使编程过程更简洁，用户界面更友好，可以使程序更加灵活、简便。 天津大学硕士学位论文第三章构建供水管网信息管理系统3．1．2Arcobjects开发技术ArcObjects是ArcGIS桌面软件的开发平台，且是完全COM化的组件式GIS，由1000多个组件、几百个具有良好文档说明的接口、几千个方法所组成。Arcobjects组件库的所有类可以分成3种嘲：抽象类(abstractClass)、普通类(class)和组件类(coclass)，在这些类之间的关系有继承、生成、组成、关联4种。继承关系是指普通类或者组件类继承抽象类中的接13(继承了接口．也就继承了接13中的方法、属性)。这样，在普通类或者组件类中就可以使用这些接口，继承关系是一种重要的关系，在开发中经常使用；生成关系指一个类可以生成另外的一个类；组成关系是指由一个类或几个类组成；关联关系只是指两个类之间有某些联系，这种联系不是一种确定的具体关系，不同的类之间的这种关联关系解释也不太一样。ArcGIS9除了把空间处理和3D可视化方面在原有版本上进行了扩展之外，同时推出了ArcGIS家族中两个最新的基于ArcObjects的产品：AreGISEngine和A．rcGISServer，他们将支持包括UNIX和Linux在内的跨平台的解决方案嘶3。AreGISEngine基于ArcObjects构建，由一组核心ArcObjects包和一些GIS可视化组件组成㈣，是对ArcGIS8-3中ArcObjects的重新封装和集成，使用ArcGISEngine开发，其核心还是在使用ArcObjects组件库。ArcGISEngine很好的综合了两种组件式GIS的优点，在掌握了ArcObjects组件库之后，使用ArcGISEngine开发GIS系统相当便捷、快速。3⋯I2ArcObjects开发方式A_rcObjects的开发方式主要有3种(1)利用ArcGIS桌面应用程序内置的VBA宏进行客户化；(2)在ArcObjects组件库基础上进一步封装自己的COM组件啪1；(3)开发独立的EXE应用程序。．随着ArcGIS9中ArcGISEngine的出现，第三种开发方式的使用会有明显的增加，将是今后AreObjeets开发的主流。这种开发方式的优点：开发人员可以从某个组件库中取出所需的某个组件并快速组装到一起，以构造所需的应用程序，从而加快应用程序的开发。3．1．3确定本系统开发工具基于上述论述，利用ArcGISEngine进行开发具有很大的灵活性，能够在粗 天漳大学硕士学位论文第三章构建供水管网信息管理系统粒度和细粒度两个角度利用ArcObjects，可以很方便的实现基本GIS功能，并能够更加方便的融入其他功能。同时第二章建立的Geodatabase数据模型决定了只有利用这种开发方式才能对数据读取，因此本文选用ArcGISEngine进行系统开发，版本是9．1。ArcGISEngine支持多种语言进行开发，包括．NET、{ava、VC等。本文选用VB．NET2003作为开发工具，一方面，．NET平台是当前最为流行的开发框架，有强大的IDE工具可以利用，构建容易，ArcGISEngine9．1对其能够全面支持，并提供了一些嵌入工具帮助开发，另一方面，ArcGIS以前的开发方式一般采用VBA方式进行，已经积累了相当多的VB源码，很多例子也都是VB语言的，同时VB语言简单易学，而且VB．NET中VB已经有了很大的进步，已经全面支持类的构建和其他面向对象的特性，能够和其他编程语言一样作出强大的系统。3．2系统总体设计3．2．1系统设计原则(1)实用性原则系统在功能上紧紧围绕供水日常的业务工作，针对各使用部门的业务特点和业务流程，建造合理实用的系统软件，能够真正提高供水管网的管理水平和供水部门的工作效率。‘(2)开放性原则在设计时为将来系统的扩充预留需要的接口，以适应后续工程以及信息技术的发展变化，并能够和其他已有系统，如AO系统、收费系统等进行通信，实现信息共享。(3)经济性原则在满足系统功能要求的基础上，尽可能降低资金的投入，并能够充分利用公司的现有资源，如服务器和一些软件资源等。(4)可扩充性原则采用组件式开发、模块化编程和面向对象设计技术，可以方便的进行系统功能的升级和更新，可以保证系统的平稳过渡。(5)安全性原则系统应遵循安全性原则，充分考虑权限的设定、数据保密等情况，并提供数据备份功能，使系统能从意外事故中迅速恢复，对重要的数据应能够进行自动备份，建立完善。可靠。高效的数据安全、数据备份及故障恢复的保障方案。 天津大学硕士学位论文第三章构建供水管同信息管理系统(6)实时性原则由于该系统不仅包括了管网静态信息的管理，还包括对管网运行状态进行实时模拟，而监测信息的实时性和准确性在很大程度上影响着模拟的准确性。因而，保证系统的系统的实时性原则对于该系统显得相当重要，应当建立相应的事件处理机制，保证系统数据和监测数据的同步。3．2．2系统总体架构系统的总体架构见图3-1。其中管网建模模块属于管网分析系统，在第四章进行详细论述，其它模块都属于管网信息管理系统。由图可见，系统是建立在供水管网空间地理数据库和SCADA系统的基础之上的：供水管网空间地理数据库为系统提供管网的静态信息，SCADA系统为系统提供实时监测信息。系统通过ArcEngine包装的ArcObjec}ts对供水管网空间地理数据库进行存取，很好的保证了数据的一致性和完整性。3．2．3系统功能划分图3-1系统架构图根据供水企业的实际工作需要．系统主要分为以下几个功能模块：(I)管网图形管理主要对管网中的各个图层进行控制，包括对整个管网进行分层显示，根据需 天津大学硕士学位论文第三章构建供水管网信息管理系统要关闭相应的图层，设置图层的符号，规定图层的可见比例范围等。(2)管网基本信息浏览进行地图漫游，查看设施的基本图形和属性信息，把握管网的整体分布情况。(3)查询统计查询统计功能是日常工作中最为需要的功能，可以对任意选定范围，按照图形和属性进行查询、统计，查询统计结果以较为直观的方式进行展示，并能够进行输出。(4)管网输入编辑对管网中的管线、阀门、水表等管网要素进行输入编辑，可以修改形状和属性，设定其显示符号，并能够自动连接成网络。输入方式多样，既可以通过鼠标直接输入，也可以用键盘输入绝对坐标或相对坐标。(5)管网输出将任意范围的图形输出到打印机或图形，为外业施工进行指导。(6)事故处理用于指导管网事故处理，增强事故反应能力，减少事故损失。在管网发生爆管大漏事故时迅速找出事故发生位置，自动给出最优阀门关闭方案及事故处理意见；在失火时搜索附近的所有消火栓，争取更多的时间。(7)管网建模管网分析是在管网基本信息、管理历史数据、管网实际运行状态(系统中的监测点)的基础上，按照一定的方法对管网各个节点和各条管线进行模拟，得到整个管网当前的运行状态，为决策者提供更为全面的信息。主要包括：管网平差、管网流向分析和绘制等水压线等，将在第五章进行详细论述。(8)数据库备份手工或自动进行管网数据库的备份，保障系统的安全。(9)权限管理不同用户配置不同的权限，显示不同菜单，执行不同级别的功能。3．3系统开发与关键技术实现3．3．1系统特点系统采用VB。NET和ArcGISEngine9．1完成开发，具有以下特点：(1)采用模块化的构建思路，不同功能划分为相互独立的功能模块，以类库的形式进行编程，生成动态连接库DLL文件，然后在主模块中进行调用，便 天津大学硕士学位论文第三章构建供水管阿信息管理系统于多人同时进行开发，源代码管理规则比较简单，避免了代码冲突现象的出现；(2)多次用到的公用函数单独建立一个类库，以静态函数的形式为其他模块服务，最大程度实现了代码共享：(3)由于ATeGISEngine中自带的100lB砬a临ol不太美观，因此系统界面的设计采用专业的面向NET的界面设计软件DotNetBar，菜单和工具栏生成容易，并提供了officeXP、office2000、office2003和VS2005四种风格，可以任意转换，符合用户当前的操作习惯，上手容易。基于上述方法，针对北方某开发区的供水管网，构建了该系统，系统主界面见图3-2，系统中涉凰到的娄库厦其功能见衰3一MⅢ％∞㈣∞Osq54“}-0F--＆目=：：o●●‘··●●e-_目aJ日}lli嘲·-，÷l⋯o4口々≯i?臻‘北方某开发区供水管码信息警理和分{斤系统一j一-U。j|一Iq血|}一j{L}一～牌⋯■■∞·日／■AI～⋯】※一图30系统主界面娄库名称功能描述管网分析所有自定义基类、接口和公用函数图形裁减图形编辑数据库操作圉形标注 天津大学硕士学位论文第三章构建供水管网信息管理系统Me舔m"eTools图形测量Print图形打印输出Rig,ht权限管理Search图形、属性查询Statistic图形、属性统计TocContcxtMcnuTOC空间右键菜单，用于控制图层Main主窗体，包括工具栏和自定义命令的创建3．3．2主要功能关键技术实现3．3．2．1自定义命令的运用由上所述，出于界面的考虑，没有采用ArcGISEngine中自带的ToolBar控件，因此一些需要和图形进行交互的命令就不能通过该控件简单实现。为了解决上述问题，本文通过实现Iconnnand和ITool接口定义交互命令，并利用命令池对象CommandPool对其进行统一管理，将菜单和工具栏中的每个子项的名字和其实现的功能类(实现了Icommand和ITool接口，能够和地图交互)动态连接起来，从而实现了对ToolBarControl的替代例。这样一方面可以对系统界面进行定制，另一方面为权限管理提供了相当大的方便，使不同用户可以执行不同的命令。以图形的放大功能为例，下面的代码给出了其实现方法。(1)定义ConllnandPool对象和Hook对象Dimm_pCommandNameArrayAsStringCollectionDimm_pMyCommandToolAsICommandPoolEdit=NewCommandPoolDimm_pHookAsObject=AxMapControlm_pMyCommandT001．SetHook(m_pHook)(2)实例化放大功能类加入到ComnmmdPool对象中，并将其和实现其功能的菜单或工具的名字连接起来DimpCmdAsICommand=NewControlsMapZoomlnToolClassWithm_pMyCommandT001．AddCommand(pCmd，Nothing)．CallOnCreate(pCmd)‘与其相关的菜单／工具名字保存到数组m_pCommandNameArray．Add(”bZoomln’)EndWith 天津大学硕士学位论文第三章构建供水管网信息管理系统‘下面两个函数用于连接命令对象和菜单／工具PublicSubExecuteESRICommandBylndex(ByvalindexAsInteger)DimcmdAsICommand2m_pMyCommandT001．Command(index)Ifcmd．EnabledThenIfTypeOfcmdIsIToolThenm_pMyCommandT001．Hook．CurrentTool=CType(cmd，IT001)E1secmd．OnClick0EndIfEndIfEndSubPublicSubExecuteESRICommandByName(ByValNameAsString)DimindexAsInteger2m_pCommandNameArray．IndexOf(Name)Ifindex=-1ThenMsgBox(’名字为。+Name+9的控件命令不能执行!，)ExitSubEndIfExecuteESRICommandByIndex(CommandNameArray．IndexOf(Name))EndSub(3)处理DotNetBar菜单／T具单击事件，执行命令PrivateSubDotNetBar_ItemClick(ByValsenderAsObject，ByValeAs—System．EventArgs)HandlesDotNetBar．ItemClickDimitemAsBaseltem=CType(sender，BaseItem)ExecuteESRICommandByName(item．Name)EndSub3．3．2．2爆管事故分析城市供水系统的爆管事故在管网日常运行中时有发生，除了研究其原因及对策，消除事故隐患外，爆管后的抢修工作也不容忽视。如果采用先进的管理方式，减少抢修时间，缩小停水范围，便可将因爆管而造成的各种损失降为最小。爆管之后，首先要制定关阀策略，使事故管停水，以免造成不应有的损失，然后组织力量进行抢修。目前，全国大部分的供水企业在发生爆管事故后，通常召集有关人员查阅图纸，进行商讨，制定出关阀策略。到现场关阀时，常常会遇到阀门因年久失修或损坏等原因造成阀门关不严或无法关闭的问题。此时便需要 天津大学硕士学位论文第三章构建供水管网信息管理系统重新制定方案，延误了抢修时间。将计算机应用到该领域中，结合地理信息系统进行快速、准确的分析与计算，可以实现管理的现代化，提高工作的效率和准确性。(1)现有爆管分析方法存在的问题给水管网是一个较为复杂的有向网络，既有树状网，又有环状网，拓扑结构复杂。对其进行爆管事故分析实际上就是通过图论的知识按照实际需要对其进行分析，找出需要关闭的阀门。许多学者阳·舯3已经在其具体实现上作出了相关研究，提出了一些方法，一些GIS公司也实现了该功能㈨。栗小荣啪1提出利用图论中的广度优先遍历方法确定关阀方案。首先搜索处于各故障管段上的两端节点以及通过这些节点与之相连的管段，在搜索过程中遇到阀门则不继续向下搜索，并将搜索到的管段和节点标记。对于已标记的管段继续在其上遍历搜索未标记的节点和与之相连的管段，将结果转为己标记状态。如此不断重复搜索步骤，直到没有未标记的节点和管段为止，所有被标记的管段即为需要断水的管段，而与这些管段在拓扑关系上直接相连的阀门为需要关闭的阀门。爆管故障处理中需要断水的管段，定义为集合G，与G相连阀门为关闭阀门，并定义为集合F。最后在F中去掉不需要关闭的阀门即可得到最终结果。关晓涛哺3利用管段的valves属性协助进行搜索：若valves=00表示在事故管段处无阀门存在，若valves=10则表示阀门处在事故管段的上游，若valves=11则表示阀门处在事故管段的下游。对于不同的值分别采取不同的搜索方法，最终找到需关阀门和影响区域。这种方法的前提是要确定管段中水的流向，从而得到valves的值，但是管网是动态的，尤其关阀后水的流向会发生较大的变化，因此比较困难。(2)爆管事故分析解决方案考虑到网络的复杂特性，ESⅪ在Geodatabase中内建了对网络数据模型的支持，提供了名为几何网络的要素类，并在开发包中专门提供了用于对几何网络进行分析的类库NetworkAnalysis，提供了查找回路、查找连接图元、上游追踪和下游追踪等网络分析中常见的操作，可以直接调用，避免了从底层对网络进行分析，可以更容易的实现现实中与网络有关的各类操作，且不容易出错。对于几何网络的特性笔者已经在第二章进行了详细的描述，在这里有必要补充一下实际网络、逻辑网络的概念和Enabled属性的重要性。在Geodatabase中实际网络是指实际形状的网络，网络上的节点仍然按照其类型(如阀门、水表)进行区分，和现实世界中网络是直接对应的关系，此时节点和边都是要素(Feature)：逻辑网络是将实际网络剥离了实际意义之后的网络，只用于表示网络的拓扑关系，每个节点(不论实际上是阀门还是水表)都只是几 天津大学硕士学位论文第三章构建供水管网信息管理系统何意义上的，没有任何区别，这样的网络的节点和边统称为元素(Element)，并被赋予了一个唯一的编号，网络追踪就是通过逻辑网络实现的。Geodatabase负责维护实际网络和逻辑网络之间的联系，在逻辑元素和实际要素之间进行转化。这种将实际网络和逻辑网络分开的做法能够剔除多余的数据，能够显著提高网络分析的效率，对于比较大型的网络也能得到比较满意的速度。几何网络由节点和边组成，建立几何网络时，所有节点自动添加Enabled字段，表示该节点是否可用：Enabled=True时，表示该节点介质可以通过，类似于将阀门打开，网络追踪不会在该点停止；Enabled=False时，表示该节点介质不可以通过，类似于将阀门关闭，网络追踪在该点停止。该字段在事故分析起到关键作用。基于上述分析，利用几何网络实现关闸搜索具有很大的优势。本文充分利用了这种特性，在系统中实现了爆管分析功能。该功能的输入参数为故障点，由用户在图上指定，输出结果为需要关闭的阀门和影响管段，基本思路如下：①将所有有效阀门(有效的阀门是指可以正常使用的阀门，搜索这样的阀门才有意义)的Enabled属性设为False，将事故点所在的网络要素设为追踪操作的起始点；②利用ITraceFlowSolver接口的FindFlowElements和FindFlowEndElements方法进行追踪操作，寻找所有与事故点连通的边和节点，追踪操作在阀门或网络边界处结束。结果中的所有边和点即是阀门关闭后的停水区域，但结果中的阀门并不都是需要关闭的阀门，因为很多阀门位于入户管上，这样的阀门的开关对事故区域并不造成影响；③在第二步结果中的阀门中选择需要关闭的阀门。不考虑管网流向，则第二步搜索到的所有阀门中不需要的阀门都位于树状网上，因此可以根据阀门是否在环状网上对关闭阀门作出选择。首先将第一步中Enabled属性设为False的阀门的该属性再设为True，然后利用ITraceFlowSolver接口的FindCircuits方法，找到所有位于环状网的要素几何，如果搜索到的阀门在这个集合内则该阀门需要关闭。最后输出搜索结果即可。，(3)运行效果爆管分析运行效果如图3-3，其中黑色圆点为事故点，蓝色部分为影响管段，对话框中为需要关闭的阀门的相关信息，并且可以进行定位、闪烁等操作。 墨堡至兰竺主兰竺丝兰苎三童塑塞堡查篁!堕垦篁里墨竺+图3-3关闸搜索运行结果溪浮lll＼＼一 天津大学硕士学位论文第四章构建供水管网分析系统供水管网信息管理系统只是对管网静态资料进行管理，为管理者提供整个管网的位置信息和属性信息。然而给水管网系统是一个动态的系统，管网的水量、水压和水质时刻发生着变化，管理者要想保证整个系统的正常运行，就要对管网当前的状况(如泵站出水量、管网压力分布、管网的水质状况等)有一个清楚的了解，从而能够及时采取措施(如调整调速泵的转速以提高管网压力、适当增加氯的投加量提高管网末梢的余氯)，改善公司的服务质量。这就需要在信息管理系统的基础上建立供水管网分析系统，以信息管理系统中的管网静态资料和管网历史运行数据基础，建立适应度比较大的管网分析模型，并在实际工作中不断进行完善，对实际运行提出指导意见。4．1供水管网系统建模基本要求4．1．1供水管网系统建模内容供水管网系统是一个拓扑结构复杂、规模庞大、用水变化随机性强、运行控制为多目标的网络系统。供水管网系统建模，就是为模拟这个网络系统而建立数学模型的过程，模拟内容主要有三个方面㈨：(1)图形模拟将复杂的给水管网系统拓扑结构，在可行的简化基础上，输入计算机，拼组成一个能实现模拟的管网图形，其中应该包括水源、节点、阀门、消火栓等附件。这些都是管网的静态数据，供水管网信息管理系统已经做好了这方面的准备。(2)状态模拟包括随时问变化的管网节点流量；受水压及管道敷设年限影响的管道漏失量；高位水池水位随时间变化的影响；阀门的开启度对通水量的影响等。这些都是管网的动态数据，一般通过对SCADA系统的监测数据进行分析获得。状态模拟的目的在于管网的静态和动态数据建立并通过求解管网状态方程(连续性方程、能量方程、水头损失方程)，进行管网水力分析。(3)参数模拟对不随时间变化的参数进行计算和模拟。主要是管段的粗糙度系数n值(或C值)，新旧管段不同，不同敷设年限的旧管道n值也不尽相同，这是建立完善 天津大学硕士学位论文第四章构建供水管网分析系统的管网模拟的基础。本章就是对该系数如何确定进行论述。4．1．2供水管网系统建模类型供水管网基本方程组是一个高阶非线性方程组，对大型管网可能达到数千阶，求解过程相当复杂。为了简化计算，现在的管网建模一般分为下面三种类型。(1)管网宏观模型管网宏观模型是在管网流量服从“比例负荷’’的前提下，应用“黑箱理论"的基本思想，直接建立给水系统的“输入量”和“输出量”之间的关系。这样能够避开研究给水系统内部细微结构所带来的困难和不确定性因素，同时避免了求解高阶非线性方程组的困难，大大提高了计算速度。宏观模型不能求得管段和节点的工况参数，多用于给水系统调度建模，不宜用于给水系统新建、改建和扩建建模。(2)管网简化模型管网简化模型就是对管网按照一定原则进行简化，只选取管径比较大的输水管段建立模型，忽略直径比较小的配水管段。这样能够大大减小建模的工作量，模型求解起来也很简单。建立管网简化模型的关键在于如何对管网进行简化，要求简化后的管网和原管网等效，这一点比较困难。(3)管网微观模型按管网实际情况，包括管网所有元素(管段、阀门、水泵等)，不做任何简化所建立的模型，相对于宏观模型来说，称为微观模型。其最明显的优点是直接应用完整详细的管网信息数据库的资料，包括管网的全部信息建模，缺点是计算工作量大，计算时间较长，占用计算机内存多。但是，随着计算机计算水平和存储容量的大幅度提高，对一个大型的管网微观模型的计算基本可以在1分钟内完成，基本可以满足实时在线模拟计算的要求。4．2建立供水管网微观模型4．2．1建模数据分析管网建模需要管网的静态和动态两方面信息：静态信息是固定的，在短期内不会发生变化；动态信息时刻在发生变化，一般可以通过测量仪器获得。这些信息务必要准确可靠，最终建立的模型才会在实际工作中发挥其应有的作用。 天津大学硕士学位论文第四章构建供水管网分析系统4．2．1．1管网静态信息供水管网信息管理系统所管理的信息即是管网静态信息，第二章中已进行了详细论述，在此只对一些和管网建模息息相关的信息加以说明。(1)管段信息主要包括管段号、管长、管径、管材、铺设年代、所在街道名称、粗糙度系数等。其中粗糙度系数是非常重要的参数，用于计算管段的水头损失，其值的大小决定了模型的准确度。和其他管段信息不同，粗糙度系数不能直接通过测量得到，只能通过管网的实际运行数据通过计算得到，并且受多种因素影响，主要有：管道铺设年代、管材、管径、防腐涂衬类型、所输送的水质、流速等。影响因素和环境的复杂性决定了准确确定该值非常困难。根据计算水头损失时采用的公式不同，粗糙度系数一般用11(巴普洛夫斯基公式)或C(海曾一威廉公式)来表示，铺设年代不同，其值有很大的区别。北京市曾实际测定管网的C值，结果是：在20世纪60"--80年代铺设的铸铁管和钢管，C值大多在75---105之间；60年代铺设的钢筋混凝土管，C值已降至50以下。采取特定的方法从管网的运行数据进行分析从而得到管段粗糙系数的近似值，是管网建模的关键步骤。(2)节点信息包括水源节点和非水源节点，主要有节点编号、地面标高、节点埋深、节点流量等信息。其中节点流量是管网动态信息中最重要的信息之一，时刻在发生变化，难以准确确定，一般通过将用户按照用水性质进行分类，通过对不同类别的用户的用水量规律进行总结，进而预测其当前的用水量。因此该值也存在一定的误差，是一个经验的和需要经常调整的数据，一定程度上决定了管网建模的准确性。4．2．1．2管网动态信息为实现供水管网运行工况的实时分析，必须引入管网运行实时信息，而这些实时信息通常通过建立管网实时监测系统即SCADA系统获得，包括：(1)管网总供水量、各水厂供水量分配及其供水压力这些是比较重要的宏观信息，一般各水厂及自来水公司对供水量、供水压力、耗电量等都有逐日、逐时的详细记录并有相应的各种统计报表。(2)控制阀门开启度(3)监测点信息要想确切了解管网上每个节点的实际运行状况是不可能的，一般是通过合理布置一定数目的监测点，通过有限的压力和流量数据来估计整个管网的运行状态，这些数据对管网建模具有重要作用。 天津大学硕士学位论文第四章构建供水管网分析系统4．2．2建模过程进行管网建模就是在上述管网静态信息和动态信息的基础上，根据管网状态方程：连续性方程、能量方程和水头损失方程进行求解，最终得到管网中每个节点和管段的运行状态。而由于建模过程中一些资料的不准确性，如上述参数的管段粗糙度系数，所建模型需要根据实时监测信息进行反复校验，若模型计算结果与实测结果达到误差允许要求，则接受模型，否则需调整有关参数，修正模型直至将误差控制在允许的范围之内。具体过程见图4-l。图4．1管网建模流程图4．2．3技术难点与解决方案从图4_1中可以看出，建立供水管网模型是一个不断完善的过程，最后的模型既要满足供水管网的连续性方程和能量方程，更要能够经受不断变化的实时监测数据的考验，在时间上具有较好的稳定性。然而，在实际管网中，这样的一种 天津大学硕士学位论文第四章构建供水管网分析系统状态是很难达到的，这是因为管网平差计算中的很多数据都存在一定的误差或是根本就不能测量，只能通过一种统计规律得到，主要包括下面两个因素：(1)管段粗糙度系数如前所述，管段的粗糙度系数受到很多因素的影响，确定起来非常困难，没有一种很好的方法对其进行度量，一般通过铺设年限对其值进行估计。而它作为求解管段水头损失的重要参数，又是必不可少的，其值的微小变化都会对管网模型造成影响。因此，必须通过一定的方法确定其值，使管网模型误差控制在可控的范围之内。(2)大用户流量管网平差中，需要知道各个大用户当前的流量数据，而这些数据一般不是实时传输的，而是通过每个月的抄表流量通过分析得来的，也存在一定的误差。上述两个因素中大用户流量有一定的规律性，一般可通过反复测量其用水量，总结其用水规律。因而本文将研究的重点放在如何确定管段的粗糙度系数上。为了比较准确的确定管段的粗糙度系数，可以采用以下思路：首先为每个管段赋粗糙度系数初始值，然后进行平差计算，将平差得到的压力、流量值与实时监测的压力、流量值进行对比，如果差别比较大则调整粗糙度系数，再次进行平差计算。这样反复循环，直到为每个管段都确定一个比较合适的粗糙度系数，使管网计算值和实测值的误差达到最小。4．2．4建立管段粗糙度系数求解模型由上节的论述可知，确定管段粗糙度系数的过程是一个迭代过程，目标是使压力、流量的计算值与实测值的误差最小，同时又要满足管网状态方程的要求，因此其实质是求解具有非线性约束的非线性规划问题，具体的数学模型如下所示：Min口∑aj’(q一哆)+bEb,’(仍-q，)s～t∑qv+Q=oHi—Hj=s口q；∑办。一峨=otlmia≤吩≤，k式中：q、哆——吩别为节点j的计算压力和实测压力(m)；a、6——分别为反应测压项和测流项重要性的权因子；gf、qJ——分别为管段i的计算流量和实测流量(m3／s)；，k、，‰——分别为粗糙度系数的最大值和最小值：(4一1)(4—2)(4—3)(4—4)(4—5) 天津大学硕士学位论文第四章构建供水管网分析系统胡。——环k的闭合差(m)；Q——节点i的流量(m3／s)；鼋。——与节点i相连接的各管段流量(聊3／s)；口，’——反应测压点j重要性的权因子；A’——反应测流管段i重要性的权因子：1"11——管段i的粗糙度系数；&——起点为i终点为J的管段摩阻(ml(m3／s)‘)；，％——属于环k的管段的水头损失(朋)。其中式(4—2)为节点连续性方程，式(4—3)为管段水头损失方程，式(4—4)为能量方程，式(4—5)限定了粗糙度系数的取值范围。式(4—1)中第一项的量纲为聊2，第二项的量纲为(肌3／s)‘，两者在数量级上差别很大，为了消除量纲不一致的影响，令：^2’nj=aj!fHj04—6、)．^26f=6i’／吼(4—7)利用a，、熟分别替换式(4—1)中的a，’、包’即可得到最后的模型。上述求解管段粗糙度系数的模型即在满足管网本身水力平衡和校验参数取值范围等的约束下，寻找最优的管段粗糙度系数n值和节点流量Q值，使计算的压力值H、流量值q分别与现场实测的压力值日、流量值日之差的平方和所构成的目标函数为最小。求解非线性规划的优化问题的方法很多㈨，如惩罚函数法、障碍函数法、最速下降法、筒约梯度法等，但这些方法一般应用于比较简单的小型问题，对目标函数也有一定的要求，不适于解决上述问题。近年来，一些模仿生物行为的算法的兴起为该类问题提出了新的解决方案，如遗传算法、蚂蚁算法等，这些算法对目标函数没有特殊要求，直接在可行解内按照一定的方法迭代求解，适应范围广，计算速度快。通过选择比较，本文选用全局寻优能力较强的遗传算法解决上述问题。4⋯241遗传算法简介遗传算法(GA)口71是一种模拟自然选择和遗传机制的自适应概率全局寻优算法，由Holland教授于20世纪60年代中期首先提出汹3，具有简单通用，鲁棒性强，适于并行处理的优点。GA的基本思想是基于Darwin进化论和Mendel的遗传学说。Darwin进化论 天津大学硕士学位论文第四章构建供水管网分析系统认为每一物种在不断的发展过程中都是越来越适应环境，物种的每个个体的基本特征被后代继承，但后代又不完全同于父代。GA就是将问题求解表示成“染色体"，从而构成一群“染色体”，再将它们置于问题的“环境"中，根据适者生存的原则，从中选择出适应环境的“染色体"进行复制、通过交叉、变异两种基因操作产生出新一代更适应环境的“染色体”群，这样一代代地不断进化，最后收敛到一个最适应环境的个体上，求得问题的最优解。GA是一种群体操作，该操作以群体中的所有个体为对象，选择、交叉、变异是GA的三个主要操作算子。它们构成了遗传操作，使GA具有了其它传统方法所没有的特性：(1)不受搜索空间的限制，如导数的连续性或存在性，事实上，它不需要任何导数信息；(2)同时搜索解空间内的许多点，并在优良点附近繁殖，而且寻优过程仍不断注意搜索解空间中的更优点，因而可避免传统优化方法仅收敛于局部最优解的不足，并求得全局最优解；(3)寻优过程虽然具有随机性，但并不是在解空间中盲目地进行穷举式的搜索，而是一种启发式的搜索，其趋优的搜索轨迹，仅占解空间的很小部分，因而可避免过大的工作量。目前，遗传算法已经在多个领域得到了应用，在管网方面，可用于规划或设计新的配水系统、现有系统的规划或扩建设计、系统的最优化运行等，其中最普遍的应用是评价现有工程的扩建规划或投资改进设计，以确定出最低费用的优化方案‘州¨。这种应用的一个重要优点是已经有一个现存系统的模拟模型和一个可供对比的设计方案，给遗传优化设计一个可靠的起始点，可以将遗传算法的优化设计方案与原始设计方案进行直接比较，用以检验遗传算法最优化技术进行方案分析的费用节约水平。4．2．4．2遗传算法参数设计遗传算法作为一种数学方法，本身没有什么物理意义，如何有效利用遗传算法解决实际问题，达到满足实际应用需要的精度，一方面要合理选择编码方法、遗传算子、进化算子和有关参数：另一方面，要深入研究实际问题，合理地将问题概化为遗传算法能够有效解决地模型，有时还需要根据实际问题设计具体的编码方法和遗传算子Ⅲ3。本文从将遗传算法用于建立管网微观模型过程的实际需求出发，从计算速度和解的精确度两个方面进行考虑，对遗传算法的参数进行了如下设计：(1)编码方法基本遗传算法采用的是二进制编码，每次计算适应值都需要在遗传空间和问 天津大学硕士学位论文第四章构建供水管网分析系统题空间之间进行转换，并且对于精度要求比较高的情况，二进制编码串就会变得的很长，影响计算速度。而采用浮点编码能够避免上述问题的出现，且具有以下优点：①精度依赖于所使用的机器，与编码本身无关，比二进制要灵活、方便；②浮点编码能够表达很大的区域，而二进制编码必须以牺牲精度来增加表达区域；③容易设计出封闭的、动态的遗传算子，容易处理非常规约束。因此本文选用浮点编码方式。模型最终要求解的是各管段的粗糙度系数，因此每个个体(即染色体)是一个一维数组，其长度等于管段数，数组中的每个数对应一条管段的粗糙度系数。群体包含若干个这样的个体，是一个二维数组，其维度分别是群体大小和管段数。(2)种群规模种群规模是算法能否陷入局部解的主要影响因素。一方面，种群规模选择得过小，容易使算法陷入局部最优解；另一方面，种群规模选得过大，增加了算法的计算量，从而减缓了算法的进化速度。管网模型复核中种群规模不宜选得过大，因为每计算一次适应度都需要进行很多次平差计算，而对于比较大型的管网，这需要耗费很长的时间，而且交叉和变异运算的次数都和管网的规模直接相关，种群中每增加一个染色体就会增加很多次的交叉和变异，而每次交叉和变异后又要重新进行平差运算，这样大的种群规模是不现实的。本文根据管网的规模种群规模定为100。(3)适应度函数在遗传算法的进化过程当中，对染色体的评价是由适应度函数来完成的，适应度函数的函数值为选择运算的依据。适应度函数的设计一般遵循两个原则：①优化过程中目标函数的优化方向与种群进化过程中适应度函数增加的方向相一致；②适应度函数值大于等于0。微观模型复核的目标函数是求最小值，因此要加以改造，由于已经保证了非负，因此只需简单的对目标函数取倒数就可以作为适应度函数进行计算。．(4)选择算子选择运算是推进进化的直接推动力。如果选择压力过大，遗传算法会过早收敛，使搜索落入局部最小点；选择压力过小，搜索过程会非常缓慢。一般来讲，在进化的初试阶段，宜采用较小的选择压力，尽量保持种群个体的多样性；在进化的后期，宜采用较大的选择压力，以提高优良个体的竞争力，使搜索向着最优解的方向发展。 天津大学硕士学位论文第四章构建供水管网分析系统由于采用了浮点编码，本文选用排序法进行选择，即以种群中染色体适应值的大小顺序来确定各个染色体的生存概率，而不是以适应值的数值大小来确定，能够一定程度克服直接基于适应值进行选择的缺点，保留较好解，去掉最差解。(5)交叉算子交叉运算是最重要的遗传操作，种群通过交叉产生新的染色体，从而不断扩展搜索空间，最终达到全局搜索的目的。交叉算子的设计与编码方法密不可分，由于采用了浮点编码，本文选用算术交叉算子，即任取两个染色体，并在这个两个染色体中分别任取一个粗糙度系数值，得到两个值五、x2，作为双亲，进行下述运算产生后代Z、五：五=口五+(1一口)而口∈【o，1】(4—8)x2=ax2+(1一口)五口∈Io，1J(4--9)其中口是0和l间的随机数。然后用子代置换双亲即可实现一次交叉操作。交叉率是交叉运算的另一个重要参数，指的是各代中交叉产生的后代数与种群规模之比，较高的交叉率可以搜索更大的解空间，从而降低停在非优解的机会，但是交叉率太高，会因搜索不必要的解空间而耗费大量的计算时间，常用的交叉率的取值范围为0．2～O．5。考虑到本文进行管网模型复核的具体情况，为了使运算时间控制在可行的范围内，交叉率选为0．1。(6)变异算子变异运算是指对染色体串的某些基因位作改变的操作，可以提供初试种群不含的基因或找回选择工程中丢失的基因，为种群提供新的内容，其作用效果在于：一方面，遗传算法具有局部搜索的能力，使遗传算法能够搜索到精确解；另一方面，可以保持种群的多样性，防止出现过早收敛的现象。本文采用非均匀变异，具体方法为：随机选择一个染色体中的一个粗糙度系数X作为父代，其子代∥按照下式进行计算：当sign=0时(4--10)当sign=1时(4—11)式中：s远以——符号标记，是随机产生的0或l；，．——在[O，1】区间均匀产生的随机数；b——形状系数，起到调节函数曲线非均匀变化的作用，本文取2；岳——交叉概率；岛——变异概率；6r、6，——分别为x取值的左右边界，即粗糙度系数的取值范围，根据管W川Ⅵ川＆一岛＆一％—．．．．．．．．．．．．．．．。L—．。．。．．．．，．．．．．．LXk1吖■^，x限0+一X=FV 天津大学硕士学位论文第四章构建供水管网分析系统段的铺设的大致年限，本文选用30--．50。变异率是变异操作的重要控制参数，指的是种群中变异的基因数占总基因数的百分比，控制了新基因引入的比例。若变异率太大，随机的变化太大，那么后代就可能失去从双亲继承下来的好的特性；变异率太小，一些有用的基因就没有机会产生。常用的变异率的数量级范围是0．1～0．001，本文选用0．05。(7)进化终止条件进化计算的终止从两个方面进行控制：最大进化代数和种群进化程度。设定最大进化代数为1000，最大和平均适应值的容差设为10r4，小于这个值或达到最大进化代数时停止进化。(8)其他在交叉和变异运算中，由于父代和子代的产生都是依赖于随机数，产生的子代的适应值可能比较差，这样就有一个是否接受的问题。传统遗传算法是不作判断直接接受，这样就会使很多坏解进入群体，使计算时间延长。为了解决这个问题，将蒙特卡罗法应用于选择交叉和变异个体，确定交叉和变异位置，再根据Metropolis准则判断是否接受新个体m1。主要的操作步骤为：在产生子代串群体时，比较新产生的串和相应的父代串的适应值E和互，如果晟>互，则用新产生的串代替父代串，作为子代串；否则，如果满足：厂，，F．．F、]RndesriGeometryPolylineThenErr．RaisefEF．AaL，，“不是线型要素!．竹)EndIf‘DimpLenFieldAsIFieldpLenField=pFeatureClass．LengthFieldm_iLengthField=pFeatureClass．FindField(pLeaField．Namelm_iMaterialField=pFeatureClass．FindField(c_sMaterialField)Ifm—iMaterialField=-1ThenErr．Raise(E_FAIL，，c_sMaterialField&”字段不存在“)EndIfEndSubjPublicFunctionValidateField(BryValRowAsESRLAreGIS．Geodatabase．IRow．ByValFieldNameAsString)AsSuingImplementsIObjeetClassValidation．ValidateFieldDimsErrorAsString=“”IfFieldName=c—sMaterialFieldThenDimdLenAsDoubleDimsMaterialAsStringdLen=Row．Value(m_iLengthField)IfTypeOfRow．Value(m_iMalerialField)IsDBNullThensMaterial=””ElsesMaterial=Row．Value(m_iMaterialField)EndIfIfalLen>10．僻．60． 天津大学硕士学位论文附录1And(sMaterial◇”PVC”And幽纽te枷◇”CI”1ThensError=csMaterialField&”值不合法!”&vbNewLine&”长度超过lOm的管线不能是球墨铸铁管或PVC管。一EndIfReturnsErrorEndFunctionPublicFunctionValidateRow(ByValRowAsESRI．ArcGIS．Geodatabase．IRow)AsStringImplementsIObjectClassValidation．ValidateRowReturnValidateField(Row)c_sMaterialField)EndFunction．61． 天津大学硕士学位论文附录2附录2研究管网管段详细资料管段起点终点管径管长管段起点终点管径管长编号(mm)(咖编号(力衄)(m)1l2300710725861300217233001080735962300294344006074606130011145400397756l62300137564003007662663009267830069577466730049472830065784768200494895001537948692004949105004580497020049410115004658l5071200494111250041682527220049412312200658353732004941312135006184547420049414131450039785757620031915163003338654552003716173003687636430019917183002208865663002lO181019500113896667200271920500122．6906768300183202150061．391686930069211l2330092697030087221326300937071300256231428300947172300151241529400300957273300120251630200300967374200219．62． 天津大学硕士学位论文附录226557520024097747620022127212230023298"／677200231282223300233998284300185292324300238．61008283300243302425300loo1016683300157312526300138．410267783003"／3226272001991037885300298332728200198．110478"／92001823428292003001057986200298352930200333106808720035836303120025610780812002563721325003111087l812002838233430031l109818820035839263730031l11073892003584028393003111ll74902003584129104400168112769l200358423042300311113779250035843314330031l1148485300269443233400232115878820025645333440023311688893002654634354002391178990300218473536400100118909l30022l483637300138．411991923002314937383001991208493300250503839300198121859430026051394030037．512286952003175240413002631238796200312534l4230033312493943003lO5442433002561259495300192554344300471269596300148563763300513127445l3002557404530026128829730054．63． 天津大学硕士学位论文附录25827383003ll12997983001465945573004861309956300634604546200269131631004004456146472001831329910130064762474820065133100102400638634849200100134102103400654644950200238135101103300655655051200481364110430014366515220088137569830019867525320012213891056001136853542002191391910560035693856300513140576515030705859300651415782300150714659300121．64． 天津大学硕士学位论文附录3附录3模型验证监测数据出水管1出水管2R：rU3R：兀74RTU5RTU6RTU9RTUllRTUl2时间(m3／h)㈣a)(咿a)(肝a)(即a)∞a)(肝a)(聍a)077．387．8O．280．2780．2790．2840．2720．2710．272l62．367．50．2830．2820．287。0．2780．279273．180．3O．280．279O．2840．2750．276331．548．40．2890．2880．2940．285445．452．90．2880．2870．2860．29lO．2830．2830．284569．477．30．280．2790．284O．2730．2740．273688．999．80．2720．2710．2770．26O．2640．2617138152．60．2520．250．2540．24l0．2420．248126．8148．50．2510．2490．255O．2420．2410．2429140．3163．90．2440．2430．2480．2350．2360．23410145．1165．40．243O．241O．2420．2470．2350．2360．2351l58．567．90．2230．2220．222’02270．2150．2140．2151256．361．10．2250．224O．22402290．220．2170．221370．178．40．2210．2190．2210．2260．212O．2lO．21314159．8182．60．249O．2480．2480．252O．2310．229O．2315144．4168．4O-2590．2580．2630．2440．2430．28616149．3174．80．2540．2590．2430．2460．28617139．916l，60．2650．263O．2640．2680．2580．2590．2861889．3lOO．90．290．2880．289O．2940．2820．2830．286196370．90．2980．2970．2980．3030．2930．2920．2862083．692．60．2930．291O．2920．2970．286216062．30．3030．3020．3030．308O．30．3010．2862284．496．40．291O．29l0．2970．2860．2850．2862387．4100．90．291O．29l0．295O．28l0．282O．28l093108．4O．2920．291O．2910．2970．2850．286．65． 天津大学硕士学位论文附录3l76．185．10．30．2990．2980．3050．2960．2950．286259．371．30．305O．3l0．3030．3020．286359．362．30．3080．3070．3130．3070．3050．286463．876．90．306O．3040．3030．3090．3010．2990．286583．398．60．3010．2990．2980．3050．2950．2866140．6163．50．2720．2710．2730．2760．2630．2640．2867123．4137．6O．280．28l0．2790．2850．270．2680．2868158．6180．8O．260．2590．2580．2640．2450．2|440．2869148．9170-30．2660．2650．270．25O．2510．2861099114O．250．250．2550．241O．2420286119399．80．2590．2550．2540．2610．243O．2420．28612117．4138．80．242O．2420．2460．2260．28613164．6181．1O．2550．2550．2560．2590．2290．28614120．8137．30．2790．2780．2760．2820．260．259O．28615151．1176．60．2580．2570．2580．2610．2230．2210．28616146．3161．30．2640．2630．2640．2670．2350．2390．28617168．4194．30．2470．245O．250．2180．2210．28618144．4157．50．2690．2680．2690．2730．2560．2570．28619146．3．165．80．2660．2650．270．248O．2460．28620129．4149．30．274O．2710．2730．2780．2650．2630．2862llll128．30．2850．2830．2840．2890．274O．27’0．2862291．5112．9O．2940．292O．290．2960．2830．2840．28623931080．2940．2930．2980．2870．2850．289．66． 天津大学硕士学位论文致谢致谢本论文的工作是在我的导师田一梅副教授的悉心指导下完成的，田一梅副教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年半来田一梅老师对我的关心和指导。赵新华教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向赵新华老师表示衷心的谢意。在实验室工作及撰写论文期间，申海亮、王棉、司艳杰等同学对我论文中的GIS编程研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学生k。'